浅谈发电机定子单相接地保护

武薇

摘要：发电机定子绕组单相接地是发电机常见的一种故障形式。主要由绕组对地（铁芯）绝缘损坏如：过电压，不平衡电流或通风故障引起的过热，短路或失步引起的机械力等引起，接地点电流是发电机和出口元件对地电容电流之和，当接地电流大到一定程度并持续一定时间后，将烧坏定子铁芯，定子绕组绝缘损坏。甚至会引起匝间短路或相间短路，使发电机造成严重损坏。

关键词：发电机

一、事件回顾

2015年04月27日，我司 “#4机定子接地跳闸”、“发电机失磁联跳”光字牌亮，#4发电机“定子接地保护（基波）”信号间断报警11次，最后由瞬时性接地故障发展为永久性接地故障。运行人员手动停机后，经电气检修人员检查是因为#4发电机20KV封闭母线内结露积水，使得盘式密封套管带水受潮，绝缘性能下降，盘式绝缘子出现沿面闪烙造成单相接地。

二、发电机定子单相接地保护原理：

1、大型发电机定子接地保护应该满足以下三个基本要求：

① 故障点电流不应超过安全电流;

② 有100%保护区;

③ 保护区内任一点发生接地故障时保护应有足够的灵敏度。

2、我厂100%定子接地保护原理：

我厂#1-#6发电机均配置由反应定子基波零序电压和反应三次谐波电压共同构成的100%定子接地保护，分别出口，各自动作于信号或解裂灭磁。

三次谐波电压分别取自机端和中性点。

发电机中性点经消弧线圈接地后，可使接地故障电流减小到安全电流以下（300MW）及以上发电机一般都欠补偿到1A以下），从而有效地防止了接地故障发展成为相间或匝间短路，使故障点电弧存在时间大为缩短，特别是在补偿良好时更是如此，同时使发电机定子接地保护具有较高的灵敏度。

现阶段，100%定子接地保护被广泛采用。运行实践表明，三次谐波保护正确动作率低。主要原因是调整不当，目前国内广泛采用的三次谐波保护的动作方程为：│K1 US3 - K2 UN3 │≥βUN3

设发电机中性点为N端，机端为S端，我们常用│K1 US3 - K2 UN3 │作为动作量，而用βUN3作为制动量。

式US3 为机端三次谐波电压（二次侧）;UN3 为中性点三次谐波电压（二次侧）;K1 K2为调整系数;β为制动比系数。

该保护的特点是无整定值，要在发电机额定电压下调平衡。即在发电机空载或轻载时调整K1，K2，使动作方程左侧为零或很小。

实际上，由于UN3 与US3 一般很小（发电机空载时只有0.3-0.4V），当基波零序电压较大时，如果没有特殊仪表能反映UN3 与US3大小及相位关系，一般情况下，要使K1 US3与 K2 UN3大小相等、相位相同是非常困难的。

此外，随着发电机工况的变化，UN3 与US3之间的相位也有些变化，那么β取何值时才能保证三次谐波保护的灵敏度及可靠性呢？一般不知道。

此外，在没有专用测试仪表的情况下，由于UN3 与US3很小，保护接入回路有问题也难以发现。某电厂曾发生过将三次谐波保护中性点电压输入回路接在中性点出线的TA上（电压回路接电流回路），致使定子接地保护误动2次，经济损失很大。

三、我厂定子接地保护动作情况分析：

根据保护班对我厂#1-#6机组定子接地保护动作情况的数据，我们对保护动作结果进行了统计，见下表：

根据上表数据，我厂定子接地保护动作11次，分析如下：

①基波零序电压累积动作6次，正确动作6次，不正确动作为0次。

其中5次为发电机电压互感器本体故障，发生故障的原因是我厂发电机出口PT均采用沈阳互感器厂生产的JDZX1—20型中性点接地的半绝缘树脂电压互感器。该产品从设计上就存在重大缺陷，PT的铁芯外露，出厂试验不做局部放电试验。目前我厂已经淘汰该产品，现已将原固定式的PT本体更换为沈阳互感器厂生产的新型全封闭环氧树脂抽屉式电压互感器。

发电机20KV封闭母线接地故障1次，发生故障的原因是因微正压装置未投及连续的阴雨天气情况下，封闭母线内结露积水，使得盘式密封套管带水受潮，绝缘性能下降，盘式绝缘子出现沿面闪烙造成单相接地。在封母和微正压装置改造之前，为防止封母内进水和潮气，现有的微正压装置尽快可靠地投入运行，封闭母线发生单相接地故障的隐患将进一步减少。

以上分析说明我厂定子接地保护基波零序电压部分能够正确反映机组故障，并且保护可以正确可靠动作。

②三次谐波电压累积动作5次，正确动作2次，不正确动作为3次。

发电机电压互感器一次保险故障2次，故障原因分别为保险熔断和保险中部过热，发电机定子接地报警信号是利用接在发电机出口侧的电压互感器开口三角形绕组的电压或发电机尾部中性点经阻抗元件实现的，当电压互感器高压侧熔断器熔断时，其开口三角绕组的电压也要上升，机端三次谐波电压变大，发电机定子接地保护正确动作。

发电机中性点电压互感器二次保险接触不良2次，导致中性点三次谐波电压（二次侧）UN3变小，制动量减少，引起保护动作。

四、定子单相接地保护投运方式：

现阶段国内的大型汽轮发电机的定子接地保护大多是由基波零序电压定子接地保护和三次谐波电压定子接地保护两部分构成。然而运行实践表明，对于100%定子接地保护，其三次谐波电压型定子接地保护经常误动，很多机组的三次谐波电压定子接地保护，常常会出现误动和误发信号的情况，原因多半仍是其原理不够成熟造成的。故有关部门建议三次谐波保护只投信号。

在上述安全電流下，若定子接地保护动作后只发信号而不立即跳闸，应及时处理，不再继续运行，因为如果再发生另一点接地故障，发电机将发生灾难性后果。